KR102396031B1 - 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다. 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 구비한 이미지 센서에서, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함한 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 일정한 규칙에 따라 상기 픽셀렌즈의 형태가 변화할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다층의 계단 형상을 갖는 집광부재를 포함하는 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 구비한 이미지 센서에서, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함한 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 일정한 규칙에 따라 상기 픽셀렌즈의 형태가 변화할 수 있다. 또한, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층; 상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및 상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈는 대칭성을 갖고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 픽셀렌즈의 면적이 점차 증가할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭은 상기 픽셀 어레이 내 위치에 관계없이 일정할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 픽셀렌즈는 서로 동일한 면적(또는 크기)을 갖고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 비대칭성이 점차 증가할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 최대 선폭은 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 점차 증가할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 최대 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 상부층이 상기 픽셀 어레이의 에지에서 센터방향으로 더 많이 쉬프트될 수 있다. 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 광축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 상부층이 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지방향으로 더 많이 쉬프트될 수 있다. 상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상기 복수의 집광층들 각각은 서로 동일한 형상을 갖고, 서로 평행하게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자장치는 광학 시스템; 상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 이미지 센서에서 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함한 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 일정한 규칙에 따라 상기 픽셀렌즈의 형태가 변화할 수 있다. 또한, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층; 상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및 상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈는 대칭성을 갖고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 픽셀렌즈의 면적이 점차 증가할 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 픽셀렌즈는 서로 동일한 면적(또는 크기)을 갖고, 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 비대칭성이 점차 증가할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 픽셀렌즈를 구비함으로써, 단위픽셀에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 컬러필터가 픽셀렌즈를 덮는 형상을 가짐으로써, 단위픽셀에서의 집광효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.
또한, 픽셀 어레이 내 위치에 따라 픽셀렌즈의 형태를 조절함으로써, 픽셀 어레이 에지에서의 입사광량을 증가시킬 수 있고, 센터와 에지에서의 입사광량의 차이를 완화시킬 수 있다.
이처럼, 단위픽셀에서의 집광효율 및 입사광량이 증가함에 따라 광전변환소자에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 변형예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면
5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서의 변형예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에 대한 변형예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면
5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서의 변형예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치를 제공한다. 여기서, 성능이 향상된 이미지 센서는 단위픽셀(Unit pixel)에서의 집광효율이 향상된 것을 의미할 수 있다. 일반적으로, 이미지 센서는 복수의 단위픽셀들을 구비하고, 복수의 단위픽셀들 각각에 대응하도록 반구형(semi-spherical type)의 마이크로 렌즈(Micro Lens, ML)가 광전변환소자(photoelectric conversion element) 상부에 설치되어 있다. 마이크로 렌즈를 통해 입사광을 광전변환소자로 집광시키며, 마이크로 렌즈에 의해 단위픽셀에서의 집광효율이 결정된다. 여기서, 집광효율은 마이크로 렌즈와 광전변환소자 사이의 초점거리에 따라 제어될 수 있다.
그러나, 공지된 마이크로 렌즈는 곡률을 변화시키는 방법으로 마이크로 렌즈와 광전변환소자 사이의 초점거리를 가변하기 때문에 초점거리 조절이 쉽지 않다. 이는, 마이크로 렌즈가 렌즈 형성 물질 예컨대, 레지스트(resist)를 리플로우(reflow) 시키는 방법으로 형성하기 때문에 공정이 복잡하고 원하는 곡률을 갖는 반구 형상을 구현하기 어렵다. 또한, 마이크로 렌즈가 컬러필터층 상에 형성되기 때문에 적용 가능 물질이 제한적인 것도 다른 이유이다. 아울러, 리플로우 방법은 고비용이 소요되고, 반구 형상만 구현이 가능하며, 대칭적이고 균일한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하기 어렵다. 이는, 크로스토크를 증가시키는 원인으로 작용하기도 한다. 그리고, 마이크로 렌즈는 컬러필터층 상에 형성되기 때문에 적용물질이 제한적이다.
따라서, 후술하는 실시예는 상술한 마이크로 렌즈의 단점을 극복하여 단위픽셀에서의 집광효율이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다. 이를 위해, 복수의 단위픽셀들 각각은 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적(또는 선폭)이 더 큰 복수의 집광층들으로 구성된 픽셀렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈는 서브-웨이브랭스 광학(Sub-wavelength optics) 또는 서브-웨이브랭스 효과(Sub-wavelength effect)에 따라 반구형의 마이크로 렌즈와 같이 입사광의 집광이 가능하다. 아울러, 이미지 센서의 집적도 증가에 대응하여 제한된 면적내에서도 효과적인 집광이 가능하며, 초점거리 또한 쉽게 가변할 수 있다. 참고로, 서브-웨이브랭스 광학은 파장보다 작은 공간 스케일에서의 광학적 효과에 대한 연구로서, 광학적 효과를 얻을 수 있는 최소 공간 스케일은 파장의 절반(λ/2)에 해당하는 것으로 알려져 있으나, 서브-웨이브랭스 광학에 따르면 파장의 절반보다 더 작은 공간 스케일에서도 광학적 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS, 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제너레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(160)는 로우 드라이버(150), 상관 이중 샘플링(120), 아날로그-디지털 컨버터(130) 및 램프 신호 제너레이터(180) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 레지스터(170)는 램프 신호 제너레이터(180), 타이밍 제너레이터(160) 및 버퍼(140) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다.
로우 드라이버(150)는 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(150)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 복수의 단위픽셀(110)들 각각은 입사광을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 컬럼라인(column line)을 통해 상관 이중 샘플링(120)으로 출력할 수 있다. 상관 이중 샘플링(120)은 수신된 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 샘플링을 수행할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 제너레이터(180)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플링(120)으로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 타이밍 제너레이터(160)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(140)로 출력할 수 있다. 램프 신호 제너레이터(180)는 타이밍 제너레이터(160)의 제어 하에 동작할 수 있다.
버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(140)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀(110)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들은 각각의 집광효율을 향상시킬 수 있는 픽셀렌즈를 포함할 수 있다. 이하, 픽셀렌즈를 포함한 단위픽셀(110)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 대한 변형예를 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 복수의 단위픽셀(110)들 각각은 광전변환소자(220)를 포함한 기판(210), 기판(210)상에 형성된 포커싱층(230), 포커싱층(230) 상에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적 또는 선폭을 갖는 복수의 집광층들(241, 242)을 포함하는 픽셀렌즈(240), 포커싱층(230) 상에 형성되어 픽셀렌즈(240)를 덮는 컬러필터층(250) 및 컬러필터층(250) 상에 형성된 반사방지 구조물(260, 270)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 픽셀렌즈(240)는 포커싱층(230) 상에 형성된 제1집광층(241) 및 제1집광층(241) 상에 형성되고 제1집광층(241)보다 작은 면적을 갖는 제2집광층(242)으로 구성된 픽셀렌즈(240)를 예시하였다. 여기서, 제1집광층(241)이 하부층이고, 제2집광층(242)이 상부층이다. 따라서, 제1집광층(241)과 하부층(241) 및 제2집광층(242)과 상부층(242)은 서로 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
기판(210)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(210)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
광전변환소자(220)는 포토다이오드(Photo Diode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)에 형성된 광전변환소자(220)는 수직적으로 중첩되는 복수의 광전변환층(미도시)을 포함할 수 있으며, 복수의 광전변환층 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다.
포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광이 광전변환소자(220)에 도달하는 거리 즉, 초점거리를 조절하는 역할을 수행한다. 포커싱층(230)을 구비함으로써, 반구형의 마이크로 렌즈와 같이 곡률을 가변하지 않고도 초점거리를 조절할 수 있으며, 제한된 공간내에서 보다 짧은 초점거리를 구현할 수 있다. 여기서, 초점거리는 포커싱층(230)의 두께(T)에 반비례할 수 있다. 예를 들어, 포커싱층(230)의 두께(T)가 증가할수록 초점거리는 짧아질 수 있고, 포커싱층(230)의 두께(T)가 얇아질수록 초점거리가 길어질 수 있다.
픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광을 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 포커싱층(230)은 각각의 단위픽셀(110)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 인접한 단위픽셀(110) 사이에서 포커싱층(230)은 서로 접할 수 있다. 일례로, 포커싱층(230)은 사각형일 수 있다.
픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광을 보다 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 포커싱층(230)으로는 픽셀렌즈(240)보다 큰 굴절률을 갖는 투광성 물질을 모두 적용할 수 있다. 여기서, 포커싱층(230)은 컬러필터층(250) 하부에 위치하기 때문에 통상적인 반도체 제조 공정에서 사용되는 다양한 물질을 적용할 수 있다. 예를 들어, 포커싱층(230)으로 적용 가능한 투광성 물질은 무기물질일 수 있으며, 무기물질로는 실리콘산화물, 실리콘질화물, 티타늄질화물등을 사용할 수 있다. 포커싱층(230)은 단일층이거나, 또는 서로 다른 굴절률을 갖는 투광성 물질들이 적층된 다중층일 수 있다. 포커싱층(230)이 다중층인 경우에 포커싱층(230)의 굴절률은 기울기를 가질 수 있으며, 광전변환소자(220)에 인접할수록 또는 픽셀렌즈(240)에서 멀어질수록 포커싱층(230)의 굴절률이 증가할 수 있다.
픽셀렌즈(240)는 입사광을 집광하는 집광부재로 작용할 수 있다. 집광효율을 향상시키기 위해 픽셀렌즈(240)는 상부층(242)이 하부층(241)보다 작은 면적 또는 선폭을 갖는 둘 이상의 집광층들(241, 242)이 적층된 다중층일 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈(240)는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 픽셀렌즈(240)가 다층의 계단 형상을 가짐에 따라 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭(W1, W2) 또는 어느 하나의 일측 측벽을 기준으로 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 보다 구체적으로, 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 컬러필터층(250)을 통과하여 색분리된 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 이를 통해, 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(240)도 반구형 렌즈와 같은 집광이 가능하다. 이는, 서브-웨이브랭스 광학에 따른 것이다. 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 기준이 되는 측벽에 따라 서로 동일하거나(W1=W2), 또는 서로 상이할 수 있다(W1≠W2).
복수의 집광층들(241, 242)은 서로 동일한 형상을 가질 수 있고, 복수의 집광층들(241, 242) 각각은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 복수의 집광층들(241, 242)은 사각형 이상의 다각형 또는 원형일 수 있다.
집광효율을 더 향상시키기 위해 상부층(242)의 두께(t2)는 하부층(241)의 두께(t1)와 동일하거나(t1=t2), 또는 더 얇을 수 있다(t1>t2). 아울러, 집광효율을 더욱더 향상시키기 위해 상부층(242)의 굴절률은 하부층(241)의 굴절률과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다. 복수의 집광층들(241, 242)은 투광성 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상부층(242)과 하부층(241)의 굴절률이 동일한 경우에 이들은 서로 동일한 물질일 수 있다. 복수의 집광층들(241, 242) 즉, 픽셀렌즈(240)는 컬러필터층(250) 하부에 위치하기 때문에 통상적인 반도체 제조 공정에서 사용되는 다양한 물질을 적용할 수 있다. 예를 들어, 복수의 집광층들(241, 242)로 적용 가능한 투광성 물질은 무기물질일 수 있으며, 무기물질로는 실리콘산화물, 실리콘질화물, 티타늄질화물등을 사용할 수 있다. 그리고, 복수의 집광층들(241, 242) 각각은 단일층이거나, 또는 서로 다른 굴절률을 갖는 투광성 물질들이 적층된 다중층일 수 있다. 집광층이 다중층인 경우에 집광층의 굴절률은 기울기를 가질 수 있으며, 광전변환소자(220) 또는 포커싱층(230)에 인접할수록 집광층의 굴절률이 증가할 수 있다.
컬러필터층(250)은 색분리(color seperation)를 위한 것으로, 포커싱층(230) 상에 형성되어 픽셀렌즈(240)의 전면을 덮고, 평탄한 표면을 가질 수 있다. 여기서, 컬러필터층(250)이 픽셀렌즈(240)에 접하여 픽셀렌즈(240)를 덮는 형태를 갖기 때문에 컬러필터층(250)과 픽셀렌즈(240) 사이의 광투과율을 향상시킬 수 있다. 즉, 집광효율을 향상시킬 수 있다. 컬러필터층(250)은 레드필터, 그린필터, 블루필터, 사이언필터, 옐로우필터, 마젠타필터, 적외선패스필터, 적외선차단필터 및 화이트필터를 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 집광효율을 더욱더 향상시키기 위해 컬러필터층(250)은 픽셀렌즈(240)보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
반사방지 구조물(260, 270)은 컬러필터층(250) 상에 형성되어 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층(260) 또는 반구형 렌즈(270)를 포함할 수 있다. 반구형 렌즈(270)는 입사광의 반사방지 기능과 더불어서 픽셀렌즈(240)로 입사광을 집광시키는 기능도 수행할 수 있다.
상술한 구조를 갖는 이미지 센서는 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(240)를 구비함으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 컬러필터층(250)이 픽셀렌즈(240)를 덮는 형상을 가짐으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 더욱더 향상시킬 수 있다. 이처럼, 단위픽셀(110)에서의 집광효율이 향상됨에 따라 광전변환소자(220)에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
앞서, 도 1에서 살펴본 바와 같이 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들이 2차원 배열된 픽셀 어레이(100)를 구비하며, 고화소 및 고집적 이미지 센서로의 개발이 가속화됨에 따라 픽셀 어레이(100) 내 각 단위픽셀(110)들의 위치에 따른 CRA(Chief Ray Angle) 및 입사광량 차이로 인해 특성이 열화되고 있다. 구체적으로, 픽셀 어레이(100) 센터에서의 입사광량보다 픽셀 어레이(100)의 에지에서의 입사광량이 상대적으로 작기 때문에 쉐이딩 편차(shading variations)가 발생하여 화질 저하의 직접적인 원인으로 작용하고 있다.
따라서, 후술하는 실시예들은 픽셀 어레이(100) 내 위치에 따른 입사광량 차이를 보상해줄 수 있는 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러, 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 설명하기에 앞서, 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이(100)는 위치에 따라 제1픽셀(110A) 내지 제5픽셀(110E)을 포함할 수 있다. 제1픽셀(110A) 내지 제5픽셀(110E)은 픽셀 어레이(100) 내 위치에 따른 픽셀렌즈(240)의 형태 변화를 설명하기 위한 것이다. 구체적으로, 픽셀 어레이(100)의 센터에 위치하는 제1픽셀(110A), 제1픽셀(110A)을 포함한 로우라인의 에지에 위치하는 제2픽셀(110B), 제1픽셀(110A)을 포함한 로우라인에서 제1픽셀(110A)과 제2픽셀(110B) 사이 중간에 위치하는 제3픽셀(110C), 픽셀 어레이(100)에서 에지 모서리에 위치하는 제4픽셀(110D) 및 제1픽셀(110A)에서 제4픽셀(110D)로 연장된 선상에서 제1픽셀(110A)과 제4픽셀(110D) 중간에 위치하는 제5픽셀(110E)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E)이 2차원 배열된 픽셀 어레이(100)에서 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각은 광전변환소자 및 광전변환소자 상에 형성되어 상부층(242)보다 하부층(241)의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 일정한 규칙에 따라 픽셀렌즈(240)의 형태가 변화할 수 있다.
구체적으로, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축(또는 광축)을 기준으로 픽셀렌즈(240)는 대칭성을 갖고, 픽셀렌즈(240)의 센터에서 에지로 갈수록 픽셀렌즈(240)의 면적(또는 크기)이 점차 증가할 수 있다. 즉, 픽셀 어레이(100)의 센터에 위치하는 제1픽셀(110A)의 픽셀렌즈(240)의 면적이 가장 작고, 픽셀렌즈(240)의 에지에 위치하는 제2픽셀(110B) 및 제4픽셀(110D)의 픽셀렌즈(240)의 면적이 가장 크며, 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 픽셀렌즈(240)의 면적이 선형적으로 증가할 수 있다.
픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭은 픽셀 어레이(100)의 위치에 관계없이 일정할 수 있다. 즉, 제1픽셀(110A) 내지 제5픽셀(110E) 모두 픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭이 동일할 수 있다. 아울러, 픽셀렌즈(240)는 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 대칭성을 갖기 때문에 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭은 방향에 관계없이 일정할 수 있다. 여기서, 픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같이, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축(또는 광축)을 기준으로 픽셀렌즈(240)는 대칭성을 갖고, 픽셀렌즈(240)의 센터에서 에지로 갈수록 픽셀렌즈(240)의 면적이 점차 증가함에 따라 픽셀 어레이(100) 에지에서의 입사광량을 증가시킬 수 있다. 아울러, 픽셀 어레이(100) 센터와 에지에서의 입사광량의 차이를 완화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀렌즈 어레이를 구비한 이미지 센서를 도시한 도면이고, 5는 그 변형예를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E)이 2차원 배열된 픽셀 어레이(100)에서 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각은 광전변환소자 및 광전변환소자 상에 형성되어 상부층(242)보다 하부층(241)의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 일정한 규칙에 따라 픽셀렌즈(240)의 형태가 변화할 수 있다.
구체적으로, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 픽셀렌즈(240)는 서로 동일한 면적(또는 크기)를 갖고, 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 픽셀렌즈(240)의 비대칭성이 점차 증가할 수 있다. 여기서, 픽셀 어레이(100)의 센터에 위치하는 제1픽셀(110A)의 픽셀렌즈(240)는 중심축을 기준으로 대칭성을 가질 수 있고, 제2픽셀(110B) 및 제4픽셀(110D)의 픽셀렌즈(240)는 제1픽셀(110A) 대비 픽셀 어레이(100) 내에서 가장 큰 비대칭성을 가질 수 있다.
픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 픽셀렌즈(240)의 비대칭성이 점차 증가하는 것은 픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출되는 하부층(241)의 최대 선폭이 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 점차 증가하는 것을 의미할 수 있다. 이때, 최대 선폭은 선형적으로 증가할 수 있다. 그리고, 픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 최대 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 참고로, 픽셀렌즈(240)가 비대칭성을 갖기 때문에 픽셀렌즈(240)에서 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭은 측정 방향에 따라 서로 상이할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 픽셀렌즈(240)의 상부층(242)이 픽셀 어레이(100)의 에지에서 센터방향으로 더 많이 쉬프트된 형태를 가질 수 있다. 이는, GRIN(GRaded INdex) 렌즈의 원리에 따라 CRA(Chief Ray Angle) 방향으로 밀한 형태를 갖는 픽셀렌즈(240)를 형성하여 픽셀 어레이(100) 에지에서의 입사광량을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 5를 참조하면 도 4에 도시된 형태와 반대로 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 픽셀렌즈(240)의 상부층(242)이 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지방향으로 더 많이 쉬프트된 형태를 가질 수 있다. 이는, 크로스토크 방지 원리와 같이 픽셀렌즈(240) 외부로 빠져나가는 입사광을 가이딩(guiding)하는 방법으로 픽셀 어레이(100) 에지에서의 입사광량을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 픽셀렌즈(240)는 서로 동일한 면적을 갖고, 픽셀 어레이(100)의 센터에서 에지로 갈수록 복수의 단위픽셀들(110A, 110B, 110C, 110D, 110E) 각각의 중심축을 기준으로 픽셀렌즈(240)의 비대칭성이 점차 증가함에 따라 픽셀 어레이(100) 에지에서의 입사광량을 증가시킬 수 있다. 아울러, 픽셀 어레이(100) 센터와 에지에서의 입사광량의 차이를 완화시킬 수 있다.
상술한 실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 6을 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 광학 시스템(310, 또는, 광학 렌즈), 셔터 유닛(311), 이미지 센서(300) 및 셔터 유닛(311)을 제어/구동하는 구동부(313) 및 신호 처리부(312)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(310)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이(도 1의 도면부호 '100' 참조)로 안내한다. 광학 시스템(310)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(311)은 이미지 센서(300)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(313)는 이미지 센서(300)의 전송 동작과 셔터 유닛(311)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(312)는 이미지 센서(300)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
210 : 기판 220 : 광전변환소자
230 : 포커싱층 241 : 제1집광층(하부층)
242 : 제2집광층(상부층) 240 : 픽셀렌즈
250 : 컬러필터층 260, 270 : 반사방지 구조물
230 : 포커싱층 241 : 제1집광층(하부층)
242 : 제2집광층(상부층) 240 : 픽셀렌즈
250 : 컬러필터층 260, 270 : 반사방지 구조물
Claims (18)
- 복수의 단위픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
광전변환소자; 및
상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고,
상기 픽셀렌즈는 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 픽셀렌즈의 형태가 변화하고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층;
상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및
상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 포함하고,
상기 복수의 집광층들 각각은 평탄한 표면을 갖고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀 렌즈는 대칭성을 갖고,
상기 픽셀 어레이의 상기 센터에서 상기 에지로 갈수록 면적이 점차 증가하고, 및
상기 복수의 집광층들의 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 일정한 이미지 센서.
- ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 갖는 이미지 센서.
- ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈의 상기 복수의 집광층들은 동일한 형상을 갖고, 서로 평행하는 이미지 센서.
- ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 복수의 집광층들 중 상기 상부층의 두께는 상기 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇은 이미지 센서.
- ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 복수의 집광층들 중 상기 상부층의 굴절률은 상기 하부층의 굴절률과 동일하거나, 또는 더 작은 이미지 센서.
- 삭제
- 삭제
- ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 상기 선폭은 입사광의 파장보다 작은 이미지 센서.
- ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 픽셀렌즈는 서로 동일한 크기를 갖고 및 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 비대칭성이 점차 증가하는 이미지 센서.
- ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제9항에 있어서,
상기 복수의 집광층들의 상기 상부층은 상기 픽셀 어레이의 상기 센터에서 상기 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀 어레이의 상기 센터방향으로 더 많이 쉬프트된 이미지 센서.
- ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제9항에 있어서,
상기 복수의 집광층들의 상기 상부층은 상기 픽셀 어레이의 상기 센터에서 상기 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 상기 중심축을 기준으로 상기 픽셀 어레이의 상기 에지 방향으로 더 많이 쉬프트된 이미지 센서.
- 복수의 단위픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
광전변환소자; 및
상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고,
상기 픽셀렌즈는 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 픽셀렌즈의 형태가 변화하고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층;
상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및
상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 포함하고,
상기 복수의 집광층들 각각은 평탄한 표면을 갖고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각의 픽셀렌즈는 서로 동일한 크기를 갖고 및 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 비대칭성이 점차 증가하고, 및
상기 복수의 집광층들의 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 최대 선폭은 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 점차 증가하는 이미지 센서.
- ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제12항에 있어서,
상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 상기 최대 선폭은 입사광의 파장보다 작은 이미지 센서.
- 광학 시스템;
상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 복수의 단위픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 이미지 센서의 상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
광전변환소자; 및
상기 광전변환소자 상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고,
상기 픽셀렌즈는 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 해당하는 단위픽셀의 위치에 따라 형태가 변화하고, 및
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층;
상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및
상기 컬러필터층 상의 반사방지 구조물을 포함하고,
상기 복수의 집광층들 각각은 평탄한 표면을 갖고, 및
상기 복수의 집광층들의 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작은 전자장치.
- ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제14항에 있어서,
복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈는 대칭성을 갖고, 및
상기 픽셀 어레이의 상기 센터에서 상기 에지로 갈수록 면적이 점차 증가하는 전자장치.
- ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제14항에 있어서,
상기 단위픽셀들의 픽셀렌즈들은 동일한 크기를 갖고, 및 상기 픽셀 어레이의 센터에서 에지로 갈수록 상기 복수의 단위픽셀들 각각의 중심축을 기준으로 상기 픽셀렌즈의 비대칭성이 점차 증가하는 전자장치.
- ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제14항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 모양을 갖는 전자장치.
- 삭제
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|---|---|---|---|
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| JP2006245101A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Canon Inc | カラーフィルタを有する撮像装置 |
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| KR100349644B1 (ko) * | 1999-11-19 | 2002-08-22 | 주식회사 하이닉스반도체 | 산화막 마이크로렌즈 제조 방법 및 그를 이용한 이미지센서의 제조방법 |
| KR100693927B1 (ko) * | 2005-02-03 | 2007-03-12 | 삼성전자주식회사 | 마이크로 렌즈 제조방법, 마이크로 렌즈 어레이 제조방법및 이미지 센서 제조방법 |
| KR20070046293A (ko) * | 2005-10-31 | 2007-05-03 | 삼성전자주식회사 | 씨모스 이미지 센서 |
-
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2006245101A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Canon Inc | カラーフィルタを有する撮像装置 |
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